摘 要：本文介紹了汽車(chē)變速箱自動(dòng)換檔機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)原理，介紹了以伺服電機(jī)作動(dòng)力源的自動(dòng)換檔機(jī)械手的工作原理，以及用PLC控制自動(dòng)換檔的軟件設(shè)計(jì)方法，其自動(dòng)換檔機(jī)構(gòu)具有安全可靠、成功率高的特點(diǎn). 關(guān)鍵詞：PLC，換檔機(jī)械手，選檔，換檔，變速箱 1. 引言 　　所謂自動(dòng)換檔，就是在試驗(yàn)中不需要停車(chē)就可以根據(jù)操作指令完成一系列換檔過(guò)程，到達(dá)預(yù)定檔位.在汽車(chē)傳動(dòng)系、變速箱性能測(cè)試試驗(yàn)中，很多情況下需要不斷變換變速箱的檔位以滿(mǎn)足試驗(yàn)的要求.目前大多采用靜態(tài)換檔模式，即每次換檔前均要停車(chē).這樣頻繁地開(kāi)車(chē)、停車(chē)不僅耗電而且耗時(shí).況且在有些試驗(yàn)如同步器試驗(yàn)時(shí)必須進(jìn)行動(dòng)態(tài)換檔，只有這樣才能對(duì)同步器的性能進(jìn)行有效地測(cè)試.因此，對(duì)變速箱自動(dòng)換檔的實(shí)現(xiàn)問(wèn)題進(jìn)行研究是必要的. 2. 系統(tǒng)構(gòu)成 　　2.1 換檔機(jī)械手 　　汽車(chē)變速箱的檔位變換是通過(guò)選檔和換檔兩個(gè)操縱桿的動(dòng)作組合來(lái)完成的.仿照汽車(chē)行駛中的人工換檔機(jī)制，使用柔性綱絲在套管內(nèi)做往返運(yùn)動(dòng)來(lái)推拉操縱桿完成換檔操作.選檔以及換檔的鋼絲在直線(xiàn)段上都有幾個(gè)固定點(diǎn)，它們的不同組合即對(duì)應(yīng)于不同的檔位.離合器的鋼絲在直線(xiàn)段上也有兩個(gè)固定點(diǎn)，分別對(duì)應(yīng)于離合器的合與分的狀態(tài). 　　換檔機(jī)械手是專(zhuān)門(mén)用于汽車(chē)變速箱進(jìn)行檔位變換的一種執(zhí)行機(jī)構(gòu).換檔機(jī)械手有多種實(shí)現(xiàn)方式，如采用液壓、氣動(dòng)等作為動(dòng)力源的換檔機(jī)械手.因其拉力不可調(diào)，動(dòng)作不到位等原因，影響了換檔成功率.本換檔機(jī)械手采用三臺(tái)直流伺服電機(jī)作動(dòng)力源，通過(guò)精度較高的滾珠絲杠將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)來(lái)推拉選檔、換檔及離合器的操縱桿.這種方式的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、動(dòng)作靈敏，由于操作機(jī)構(gòu)與變速箱之間是通過(guò)軟軸連接，因此其安裝地點(diǎn)不受環(huán)境條件限制（如圖1）. 　　電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器采用了專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的伺服控制系統(tǒng)，其速度、扭矩可調(diào)，且具有良好的堵轉(zhuǎn)特性.這就使得換檔操作在行程、速度和力度上都能按要求進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而提高了換檔成功率. 　　位置信號(hào)的采集使用碼盤(pán)加高速計(jì)數(shù)器形式，其優(yōu)點(diǎn)在于精度高，易調(diào)整，使用壽命長(zhǎng).采用可編程控制器對(duì)換檔機(jī)械手進(jìn)行控制，可長(zhǎng)時(shí)間工作且安全可靠，其另一特點(diǎn)是適合不同類(lèi)型的變速箱，只需重新調(diào)整計(jì)數(shù)器的設(shè)定值及檔位指定即可. 　　2.2　控制方法 　　2.2.1 PLC選型 　　根據(jù)本換檔機(jī)構(gòu)的控制要求，需要23點(diǎn)輸入和23點(diǎn)輸出，還需要3個(gè)高速計(jì)數(shù)器通道.由于整個(gè)換檔過(guò)程的時(shí)間控制在1秒左右，所以還要求響應(yīng)速度快.三菱公司生產(chǎn)的FX2N系列屬于單元式結(jié)構(gòu)小型中檔機(jī)型，有一個(gè)16位的CPU和一個(gè)專(zhuān)用邏輯處理器，具有直接輸出功能.使輸出不受掃描周期的影響，執(zhí)行速度很快.其內(nèi)部還設(shè)有高速計(jì)數(shù)器，最大頻率可達(dá)3KHz.其功能強(qiáng)大，組合靈活，比較適合.具體選用的是FX2N-64MR-ES型，其輸入、輸出各為32點(diǎn)，具有一定的余地.M表示基本擴(kuò)展單元，R表示繼電器輸出，E表示擴(kuò)展單元，S表示晶閘管輸出.編程器選用FX-20P-E便攜式編程器，它具有菜單式功能選擇，能在線(xiàn)或離線(xiàn)編程，方便實(shí)用. 　　2.2.2 控制方案 　　換檔機(jī)械手的控制可獨(dú)立操作，也可通過(guò)上位計(jì)算機(jī)進(jìn)行操作. 　　獨(dú)立操作使用操作臺(tái)面板上的按鈕進(jìn)行.操作臺(tái)面板簡(jiǎn)潔明了，操作簡(jiǎn)單.面板上有顯示檔位的信號(hào)燈8只，分別對(duì)應(yīng)于1――6檔以及空檔和倒檔，離合器分、合狀態(tài)指示燈2只，換檔失敗警告，PLC運(yùn)行指示，自動(dòng)方式指示燈及電源指示燈各1只，使得換檔狀態(tài)一目了然.一個(gè)手動(dòng)/自動(dòng)切換開(kāi)關(guān)，用于手動(dòng)和自動(dòng)的控制方式變化. 　　自動(dòng)方式下，有2個(gè)按鈕可選擇：升檔和降檔.當(dāng)按下某一按鈕時(shí)，系統(tǒng)能自動(dòng)識(shí)別該時(shí)刻的檔位狀況，在不符合操作邏輯的情況下，系統(tǒng)不作任何響應(yīng).若符合操作邏輯（檔位升降只能依次進(jìn)行，不得跳檔操作），系統(tǒng)將進(jìn)行一系列的操作，直至達(dá)到要求.若換檔失?。ㄟM(jìn)檔時(shí)間超過(guò)規(guī)定范圍而此時(shí)操縱桿仍未到達(dá)預(yù)定位置），系統(tǒng)將自動(dòng)退檔（換檔桿復(fù)零位）并合上離合器.此時(shí)選檔桿保留原位，同時(shí)發(fā)出換檔失敗信號(hào)，詢(xún)問(wèn)是否繼續(xù).面板上另有2個(gè)選擇按鈕，若選擇繼續(xù)操作，系統(tǒng)將打開(kāi)離合器繼續(xù)進(jìn)檔，重復(fù)以上操作.若選擇停止操作，系統(tǒng)將自動(dòng)退回到空檔（選檔桿也復(fù)零位），等待下一步指令. 　　為滿(mǎn)足試驗(yàn)中不同操作要求以及模擬汽車(chē)正常行駛中經(jīng)常從任意檔位退回到空檔的實(shí)際情況，本系統(tǒng)具備了這方面的功能，只需選擇停止操作即可完成. 　　本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了與上位機(jī)的通訊接口，可通過(guò)計(jì)算機(jī)直接讀取系統(tǒng)狀態(tài)并可完成以上自動(dòng)方式下的所有操作. 　　手動(dòng)方式下，有6個(gè)按鈕供選擇，分別對(duì)應(yīng)于3臺(tái)伺服電機(jī)的正、反轉(zhuǎn)，操作采用點(diǎn)動(dòng)，該方式主要用于系統(tǒng)維修或安裝時(shí)的定位調(diào)試. 　　面板上還有6只可調(diào)電位器，用于各種動(dòng)作的速度和扭矩調(diào)整.另外本機(jī)構(gòu)還同時(shí)考慮了必要的過(guò)濾、過(guò)壓保護(hù)以及自校正，以解決機(jī)械間隙所產(chǎn)生的原點(diǎn)漂移問(wèn)題. 　　2.2.3 計(jì)數(shù)器參數(shù)設(shè)定 　　將3根軟軸變速箱側(cè)的連接螺栓擰緊，絲杠側(cè)的螺栓與連接板脫開(kāi)，將選檔和換檔操縱桿置于中間位置，將離合器的操作桿置于合的位置.分別撥動(dòng)選動(dòng)、換檔、離合器的操縱桿，使其到達(dá)另一點(diǎn)，此時(shí)測(cè)得軟軸伸縮長(zhǎng)度為l（即實(shí)際行程，單位毫米）.由于機(jī)械有一定的活動(dòng)間隙，l的實(shí)際值可取中間值. 　　滾珠絲杠的牙距為4毫米，碼盤(pán)每旋轉(zhuǎn)一周輸出100個(gè)脈沖，所以計(jì)數(shù)器設(shè)定值s： 　　s=100＊l/4 　　連接板向右移動(dòng)為正方向，計(jì)數(shù)器為正，連接板向左移動(dòng)為負(fù)方向，計(jì)數(shù)器為負(fù).可編程控制器根據(jù)讀取的脈沖數(shù)就可以判別連接板行走的方向和行程.各個(gè)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的編號(hào)如下： 　　a0，a1，a2，a3是選檔上的4點(diǎn)（部分變速箱無(wú)a3點(diǎn)），b0，b1，b2是換檔上的3個(gè)點(diǎn)，c0，c1是離合器上的2個(gè)點(diǎn).各點(diǎn)與寄存器號(hào)對(duì)應(yīng)如下表： 　　使用二個(gè)寄存器的點(diǎn)位是采用區(qū)間比較功能. 　　2.2.4　定時(shí)器參數(shù)的設(shè)定 　　換檔時(shí)限T2――T8共7個(gè)定時(shí)器，對(duì)應(yīng)的寄存器號(hào)為D32――D38，一般情況下設(shè)為1.2――1.5秒.選檔和換檔操作之間的時(shí)間間隔共14個(gè)定時(shí)器，對(duì)應(yīng)的寄存器號(hào)為D40――D53，一般情況下設(shè)為0.3秒.計(jì)數(shù)器負(fù)計(jì)數(shù)是通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)的.由于電機(jī)反轉(zhuǎn)指令消失后，電機(jī)在慣性的作用下仍然要繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，此時(shí)負(fù)計(jì)數(shù)開(kāi)關(guān)必須要有一定的延時(shí)才不至于丟失負(fù)計(jì)數(shù)脈沖.定時(shí)器T10――T12用來(lái)完成這一延時(shí)，一般情況下設(shè)定為0.5秒左右.T0――T1兩個(gè)定時(shí)器是為計(jì)算機(jī)發(fā)出繼續(xù)操作和停止操作而設(shè)的，其目的是將計(jì)算機(jī)發(fā)出的短暫脈沖信號(hào)加以延長(zhǎng)，保證系統(tǒng)能準(zhǔn)確地讀取指令，一般情況下設(shè)定為1秒. 3. 軟件設(shè)計(jì) 　　軟件采用梯形圖編程，主程序?qū)ψ兯傧錂n位各點(diǎn)的計(jì)數(shù)器竟心進(jìn)行設(shè)置（運(yùn)用功能FNC11D，F(xiàn)NC10D）.然后根據(jù)指令進(jìn)行選檔和換檔操作，其流程圖如下： 4. 結(jié)語(yǔ) 　　汽車(chē)變速箱自動(dòng)換檔問(wèn)題是汽車(chē)傳動(dòng)系、變速箱等有關(guān)試驗(yàn)中一直難以解決的問(wèn)題，其主要問(wèn)題是在換檔過(guò)程中力度和速度難以與運(yùn)行狀態(tài)相匹配，從而造成換檔成功率不高，影響了自動(dòng)換檔的應(yīng)用.本次使用的換檔機(jī)械手，以三臺(tái)伺服電機(jī)為動(dòng)力源，其驅(qū)動(dòng)器采用專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的伺服控制系統(tǒng)，其速度和扭矩可調(diào).采用PLC控制，可靠性高.位置信號(hào)采集使用碼盤(pán)加高速計(jì)數(shù)器，精度高.在設(shè)計(jì)中升、降檔操作及三臺(tái)伺服電機(jī)的正、反轉(zhuǎn)，無(wú)論從輸入端、輸出端還是中間繼電器，都設(shè)置互鎖功能.不會(huì)出現(xiàn)操作紊亂或輸出短路.這種設(shè)計(jì)在試驗(yàn)中運(yùn)行表明簡(jiǎn)單、實(shí)用，一次換檔成功率在90%以上，第二次換檔都能成功，基本上解決了變速箱的自動(dòng)換檔問(wèn)題. 參考文獻(xiàn)： 　　[1]尹征琦，伺服系統(tǒng)的功率輸出能力和功率匹配，電氣傳動(dòng)，1998（2），38―44。 　　[2]湯蘊(yùn)繆，電機(jī)學(xué)-機(jī)電能量轉(zhuǎn)換，機(jī)械工業(yè)出版社，1986。 　　[3]MITSUBISHI三菱微型可編程控制器編程手冊(cè).2000.9.